張勝蘭，徐瀟寒

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰442002)

拓?fù)鋬?yōu)化是近幾年結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的熱點(diǎn)，其基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)能夠使結(jié)構(gòu)在滿足有關(guān)約束條件下，使結(jié)構(gòu)的某種性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。通過拓?fù)鋬?yōu)化分析，設(shè)計(jì)人員可以全面了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特征，并有針對性地對總體結(jié)構(gòu)和具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用在汽車零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)、車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

汽車車門外把手雖然不影響汽車在結(jié)構(gòu)上的整體性能，也不影響整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性，但它是每位用戶乘坐車時(shí)最先接觸到的部件，屬于外觀件也屬于功能件，因此對其外觀質(zhì)量和強(qiáng)度、開啟舒適度提出較高要求。在維持或提高其性能的基礎(chǔ)上，考慮其人機(jī)工程的輕量化設(shè)計(jì)思路在車門外把手的優(yōu)化設(shè)計(jì)中有十分重要的研究意義。本文基于HyperWorks的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)探討了某貨車車門外把手輕量化設(shè)計(jì)的可行性。

1 車門外把手靜力分析

本文研究對象是某輕型貨車車門外把手，所用材料為鋅合金，屈服強(qiáng)度283MPa，其材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1.1 邊界條件的確定

有限元分析時(shí)，需要根據(jù)車門外把手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、載荷性質(zhì)及分析目的選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型以達(dá)到分析計(jì)算經(jīng)濟(jì)合理的目的。邊界條件反映了分析對象與外界之間的相互作用，是實(shí)際工況條件在有限元模型上的表現(xiàn)形式。通過分網(wǎng)生成的網(wǎng)格組合體定義了節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)，它并不是完整的有限元模型，因此還不能直接用于計(jì)算。只有定義了完整的邊界條件，才能計(jì)算出需要的計(jì)算結(jié)果。邊界條件的定義必須考慮到實(shí)際車門外把手的受力情況。

根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)，門把手的受力主要是靠手心，手指握力，以大拇指為支點(diǎn)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或提拉動作。因此，車門外把手受力較簡單，僅受到人給把手作用的拉力，以及其旋轉(zhuǎn)到極限位置（開啟瞬間）所受到的阻力。設(shè)定人提拉車門把手的力為200N，并將200N以壓強(qiáng)的形式加載在把手握持部位。靜力分析時(shí)，在孔中心施加5個自由度約束（僅釋放繞X軸的旋轉(zhuǎn)自由度），并在舌端增加2個點(diǎn)的Y軸位移約束。

1.2 原始結(jié)構(gòu)靜力分析

原始結(jié)構(gòu)（圖1a）幾何模型帶圓角，手持部位為曲面，因此采用四面體單元劃分實(shí)體網(wǎng)格（圖1 b），原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表2所示。對模型施加均布壓力，壓強(qiáng)大小由拉力200N與受力面積1578.88mm2計(jì)算可得，為0.126MPa。

表2 原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

對其進(jìn)行靜力分析，得到如圖2所示結(jié)果。最大位移為0.499mm，位于外把手末端；最大應(yīng)力為63.9MPa，位于舌端根部。

2 車門外把手拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 概念模型及靜力分析

將車門外把手原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，得到如圖3a所示的形狀比較規(guī)整的概念模型,其數(shù)據(jù)如表3所示。采用六面體單元劃分網(wǎng)格，材料屬性、加載方式以及約束條件不變，其有限元分析模型如圖3b所示。

表3 概念模型數(shù)據(jù)

對其進(jìn)行靜力分析，得到如圖4所示結(jié)果。最大位移為0.583 mm，最大應(yīng)力為59.7 MPa，最大位移與最大應(yīng)力點(diǎn)位置同原始結(jié)構(gòu)。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

在材料屬性、加載方式以及約束條件不變情況下，對車門外把手概念模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化首要任務(wù)是按照分析對象的基本結(jié)構(gòu)確定拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域，建立其優(yōu)化模型。車門外把手概念模型劃分為可設(shè)計(jì)域與非設(shè)計(jì)域兩部分，如圖5所示。

確定優(yōu)化設(shè)計(jì)三要素為1）目標(biāo)函數(shù)：質(zhì)量最小；2）約束條件：應(yīng)力，上限為100 MPa；3）設(shè)計(jì)變量：模型的單元密度。

為了得到一個對稱的車門外把手結(jié)構(gòu)，在建立拓?fù)鋬?yōu)化變量時(shí)引入了對稱約束。拓?fù)鋬?yōu)化在經(jīng)過59步的迭代計(jì)算后收斂，得到的結(jié)果（密度閥值為0.35時(shí)）如圖6所示。

2.3 二次設(shè)計(jì)及靜力分析

車門把手為手持型工具，手的握持部位不得有尖角、銳棱、缺口，持握牢靠、方便、無不適感。因此門把手結(jié)構(gòu)外形要切合人的手，各部分曲線須圓滑過渡；此外，根據(jù)第5百分位女性到第95百分位男性數(shù)據(jù)，手寬一般為71～97mm，合適的把手長度為100～125mm，從國標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算來看，男性掌厚約為24～30mm，女性的掌厚約為22～26mm，因此確定門把手的結(jié)構(gòu)外形與尺寸也顯得尤為重要。

對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，并根據(jù)手握部位對尺寸的要求，在CATIA V5中對車門外把手進(jìn)行了二次設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖7 a所示，其數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 新結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)

在材料屬性、加載方式以及約束條件不變情況下，對二次設(shè)計(jì)后的新結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，有限元分析模型如圖7 b所示。新結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果如圖8所示。最大位移為0.652mm，最大位移位置仍然在把手末端；最大應(yīng)力為54MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)已轉(zhuǎn)移至把手根部。

2.4 對比分析

參見表5，與原始設(shè)計(jì)相比，二次設(shè)計(jì)后的新結(jié)構(gòu)最大位移值和應(yīng)力值變化不大，重量減輕了0.0566kg，占原重量的28.79%。在基本維持原始設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度要求的前提下，輕量化設(shè)計(jì)效果明顯。

表5 結(jié)果對比

車門外把手的剛度是評價(jià)的依據(jù)，模型的剛度由模型的變形量直接反映。二次設(shè)計(jì)后的新結(jié)構(gòu)的剛度略小于原始結(jié)構(gòu)。分析其原因在于，原始結(jié)構(gòu)在把手握持部位設(shè)計(jì)為弧面，其中部截面比兩側(cè)厚，主要受力位置分布較多的材料；而新結(jié)構(gòu)模型在把手尾部的結(jié)構(gòu)較薄，且其受力面近似平面，因此，在靜力作用下的變形稍微有些增加，但并不影響整體的使用壽命。若想要提高二次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度，可以將把手握持部位設(shè)計(jì)為弧面，并適當(dāng)減小開槽的深度即可。需要說明的是，輕型卡車門外把手位置相比轎車位置較高，把手實(shí)際計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮向下的拉力，但本設(shè)計(jì)中只考慮了把手的正向拉力。

3 結(jié)論

利用HyperWorks以及CATIA V5，對某貨車車門外把手進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。與原始設(shè)計(jì)相比，在基本維持原始設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度要求的前提下，二次設(shè)計(jì)后的新結(jié)構(gòu)重量減輕了0.0566kg，占原重量的28.79%，輕量化設(shè)計(jì)效果明顯。由此可以看到：1）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，充分利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，成為設(shè)計(jì)出滿足最佳技術(shù)條件和工藝條件的產(chǎn)品的基礎(chǔ)；2）拓?fù)鋬?yōu)化已成為研究材料的有效利用以及輕量化設(shè)計(jì)的有效手段；3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)與三維CAD技術(shù)的集成與靈活的應(yīng)用成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師得到最優(yōu)設(shè)計(jì)的重要保證。

［1］ 張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 別輝，陳贛，史建鵬.結(jié)構(gòu)優(yōu)化在提高汽車車門外把手剛度上的應(yīng)用［C］//結(jié)構(gòu)及多學(xué)科優(yōu)化工程應(yīng)用與理論研討會 2009(CSMO－2009)論文集，2009.

［3］ 姚玉林.桑塔納2000型轎車車門外把手受力分析［J］.上海汽車，2000（11）：23－25.